Föreläsning 5 Meddelandesändning med TCP EDA095 Nätverksprogrammering Per Andersson Datavetenskap Lunds universitet
Transmission Control Protocol TCP En del av transportlagret. Applikationsprogram Transportlagret Internetlagret Applikationsprotokoll TCP / UDP IP Applikationsprogram Transportlagret Internetlagret Fysiskt överföringsmedium. "Host-To-Network Layer". 2
TCP "Fast" uppkoppling mellan två portar på (vanligtvis) två olika datorer. Fast uppkoppling (connected protocol)! Automatisk omsändning / sortering av meddelanden. Ingen storleksbegränsning. Ur applikationsprogrammets synvinkel fungerar en TCP-förbindelse som två strömmar (streams), en inkommande (InputStream) och en utgående (OutputStream): 3
Java och TCP Socket Motsvarar en upprättad förbindelse till vilken man kan skriva utgående bytes och läsa inkommande bytes. ServerSocket Används av en server för att vänta på uppkopplingar. Stream I/O InputStream och OutputStream från java.io. Paketen java.net och java.io. 4
Socket modell Modell ell Socket InputStream input output OutputStream Socket-objektet sköter övergripande egenskaper för uppkopplingen. Stream-objekten har hand om in-/utmatning av bytes. Stream-objekten skapas automatiskt. 5
Nätverksprogrammering Socket Konstruktorer public Socket(String host, int port) throws UnknownHostException, IOException; public Socket(InetAddress host,int port) throws IOException; Get-metoder public InputStream getinputstream() throws IOException; public OutputStream getoutputstream() throws IOException; public InetAddress getinetaddress(); public int getport(); public InetAddress getlocaladdress(); public int getlocalport(); 6
Socket, fortsättning Inställningar public void settcpnodelay(boolean on) throws SocketException; public boolean gettcpnodelay() throws SocketException; public void setsotimeout(int milliseconds) throws SocketException; public int getsotimeout() throws SocketException;... 7
Socket, fortsättning Koppla ned public void close() throws IOException; public void shutdowninput throws IOException; public void shutdownoutput throws IOException; Status public boolean isconnected(); public boolean isclosed(); public boolean isinputshutdown(); public boolean isoutputshutdown(); 8
Skapa en socket (klient) Socket socket = null; InputStream input = null; OutputStream output = null; try { socket = new Socket( cs.lth.se,80); input = socket.getinputstream(); output = socket.getoutputstream(); } catch (UnknownHostException e) { System.out.println(e); System.exit(1); } catch (IOException e) { System.out.println(e); System.exit(1); } socket.close(); DEMO - SimpleTelnet 9
Att läsa stora block - repetition Att läsa en byte i taget med read() är mycket ineffektivt. Lösning: public int read(byte[] input,int offset,int length) throws IOException; Varning! Ingen garanti att angivet antal bytes läses! Exempel: Vi vill läsa exakt 100 byte. byte[] buffer = new byte[100]; int read = 0; int result = 0; while (read<100 && result!=-1) { result = input.read(buffer,read,100-read); if (result!=-1) read = read+result; } 10
TCP-server skelett while (true) { ordet = receive(); switch (order.command) { case commanda: result = docommanda(order.parameters); break; case commandb: result = docommandb(order.parameters); break; case commandc: result = docommandc(order.parameters); break;... default:... } send(order.client, result); 11
ServerSocket Fungerar som en telefonist - tar emot uppkopplingar på serversidan och skapar ett motsvarande Socket-objekt. Klienten och servern kommunicerar via denna Socket. En servers livscykel 1. Skapa en ServerSocket. 2. Vänta på uppkoppling (accept()). Socket skapas. 3. Hämta strömmar med getinputstream() respektive getoutputstream(). 4. Servern och klienten kommunicerar med varandra. 5. Förbindelsen kopplas ned. 12
ServerSocket, fortsättning Konstruktorer public ServerSocket(int port) throws IOException; public ServerSocket(int port, int queuelength) throws IOException;... Vänta på en uppkoppling public Socket accept() throws IOException;... Koppla ned servern public void close() throws IOException; 13
ServerSocket, fortsättning Get-metoder public InetAddress getinetaddress(); public int getlocalport(); public int getsotimeout() throws IOException; Set-metoder public void setsotimeout(int timeout) throws IOException; DEMO - ToUpperServer 14
Skicka/ta emot tecken Ibland vill man skicka tecken istället för bytes och vill slippa att själv göra omvandlingen i sitt program. Reader/Writer - en parallell klasshierarki till InputStream/ OutputStream som hanterar tecken enligt en given teckenkodning. Vi gör om strömmar till en reader/writer genom att kapsla in den (precis som med FilterInput/OutputStream): OutputStreamWriter out = new OutputStreamWriter(socket.getOutputStream()); InputStreamReader in = new InputStreamReader(socket.getInputStream()); 15
Skicka/ta emot strängar Klasserna BufferedReader och PrintWriter representerar sträng- och textorienterade strömmar. De är buffrade och hanterar rader av tecken effektivt via metoden readline(): InputStream is =... OutputStream os =... BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(is)); PrintWriter out = new PrintWriter(os,true); Se kursboken och Javas klassdokumentation! 16
Hantera flera TCP-anslutningar Vad händer om en andra klient kopplar upp sig medan servern är upptagen med att betjäna den första klienten? Blockering eller förvägrad uppkoppling! DEMO - ToUpperServer Visst hade det varit bra om ert serverprogram kunde göra flera saker samtidigt? Tex betjäna flera olika klienter? Lösningar: Trådar... Non-blocking I/O - java.nio, java.nio.channels 17
Design av applikationsprotokoll Hittills stort fokus på gränssnittet mellan applikationsprogram och transportlagret. Applikationsprotokoll och TCP Avgränsning av fält/meddelanden Kodning av datatyper som en sekvens av bytes Teckenkodning radslut Big-endian/little-endian Börja skriva för att lägga till text
Protokolldesign exempel I kursen Realtidsprogrammering behöver man överföra en ström av JPEG-bilder tillsammans med tidsstämplar. För varje bild: Tidsstämpel (heltal, long) JPEG-bild (ett variabelt antal sekvensiella bytes) Problem Hur representerar man en tidsstämpel? Binärt? ASCII? Ordning? Hur vet man när alla bytes i själva bilden sänts? När börjar nästa meddelande (bild)? Börja skriva för att lägga till text
Exempel, fortsättning Protokollförslag: 1. Tidsstämpel en long i binär form, 8 bytes, big-endian 2. Antal bytes i den efterföljande JPEG-bilden long, 8 bytes, bigendian 3. JPEG-bilden den sekvens av bytes som utgör bilden Börja skriva för att lägga till text
HTTP Protokoll för kommunikation mellan webbläsare och webbserver. RFC1945 (HTTP 1.0) och RFC2616 (HTTP 1.1). Textbaserat Radbaserat, radslut: CR + LF HTTP 1.0: Anslutning via TCP Request Response Nedkoppling Börja skriva för att lägga till text
HTTP, fortsättning Request (avslutas med dubbla radslut, CR+LF+CR+LF): GET /index.html HTTP/1.1 Accept: text/html, text/plain, image/gif, image/jpeg User-Agent: Mozilla/4.0 Host: ygg.cs.lth.se Response: HTTP/1.1 200 OK Date: Wed, 29 Mar 2006 08:20:32 GMT Server: Apache/2.0.40 (Red Hat Linux) Last-Modified: Mon, 21 Mar 2006 18:17:07 GMT Content-type: text/html; charset=iso-8859-1 Content-length: 107 <html> <head>... Börja skriva för att lägga till text
Design: enkel HTTP-server while (true) { socket = serversocket.accept(); parseandresponse(socket); socket.close(); } Nackdelar Kan endast hantera en uppkoppling åt gången. Utnyttjar tillgänglig bandbredd dåligt. Börja skriva för att lägga till text
Design: enkel multitrådad server Main while (true) { socket = serversocket.accept(); new RequestHandler(socket).start(); } RequestHandler parseandresponse(socket); socket.close(); Fördelar enkel design klarar flera uppkopplingar parallellt Nackdel Skalar inte upp. Starta nya trådar dyrt. Börja skriva för att lägga till text
Design: trådpool och jobblista En kö med ankomna anslutningar och en pool av servertrådar. Main while (true) { socket = serversocket.accept(); jobs.insert(socket); } RequestHandler while (true) { socket = jobs.getjob(); parseandresponse(socket); socket.close(); } Variant av föregående lösning. Börja skriva för att lägga till text
Design: Executors Implementera en trådpool mha Executors i Java. Main ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(10); while (true) { socket = serversocket.accept(); pool.submit(new RequestHandler(socket)); } RequestHandler while (true) { parseandresponse(socket); socket.close(); } Notera: Ingen pool.shutdown()! 26
Icke-blockerande I/O i C Internetradio anno 1992 på Datavetenskap. anslutning raclient.c raserver.c 27